云计算多租户体系构架技术的探讨

张文山　吴焕斌　李天伟　丁丽萍（.广东科学中心，广东广州　50006；.广州中国科学院软件应用技术研究所，广东广州　5400）



云计算多租户体系构架技术的探讨

张文山1吴焕斌1李天伟1丁丽萍2
（1.广东科学中心，广东广州510006；2.广州中国科学院软件应用技术研究所，广东广州511400）

【摘 要】互联网下云计算多租户体系架构有多种实现方式，每种实现方式都有其优缺点，通过对文献研究、开源项目、科研课题研究，和基于构件的开发方法和经典构件模型的研究，针对多租户容器平台与业务平台中的关键技术问题开展相关研究，对多租户个性化定制、多租户性能隔离、多租户信息管理技术、统一权限控制、数据库隔离及路由等关键技术点进行探讨研究，解决其中的技术难点，突破技术的瓶颈。

【关键词】互联网软件服务技术研究

1　关键技术分析

1.1面向研发管理领域的构件模型

COM/DCOM、COBRA、.NET Assembly、EJB等经典构件模型都是针对通用领域进行定义的，一方面能够适应所有的业务领域，另一方面对于特定的领域需要将进行进一步的领域化处理。为解决软件危机，软件工程提出并发展了40多年，针对软件研发管理已经形成一系列的标准、理论、方法、理念，其中的业务领域已经相对稳定了，因此可以针对该领域建立领域特定的构件模型。该构件模型中将包含预定义的业务领域活动、行为、数据等，比如需求管理领域中需求项。基于这些预定义业务元素，能够进一步提高基于构件的设计和开发的效率，降低缺陷率。因此，面向研发管理领域的构件模型技术的攻关将是软件服务管理平台技术的关键。

1.2多租户统一权限控制

研发管理平台业务逻辑复杂，涉及到多个部署构件、多个系统模块、多种用户角色交互等，需要对系统用户从链接、菜单、方法、数据等层次来提供立体的全方位访问控制，保证系统的安全性。在几种控制对象中，数据的控制是最困难的，也是最重要的，其本质原因是因为对数据的权限控制在很大程度上是业务逻辑的体现，而业务逻辑是很难有一个统一的方式来进行描述和控制的。因此，如何提取一种统一的模型来对数据对象进行控制就是要解决的关键技术点。统一权限模型的建立，将对系统提供全面的防护措施，严格控制数据的访问。

1.3基于Qos的请求分配与资源调度技术

采用高资源共享度的云计算软件服务模式提高了资源的利用率，降低了系统的运维成本，但是当系统的并发访问量增大时，就必须采取一种措施来保证高服务级别（SLA）租户的访问顺畅执行，同时进行计算资源的横向扩展，来保证整个系统的稳定运行。

2　管理平台的技术路线分析

基于云计算软件服务模式的管理平台的技术路线可初步分为：技术调研与选型、关键技术研究、架构设计、测试驱动开发、系统测试、部署实施等环节，如图1。

3　软件服务的隔离模式选型

多租户模式的一个关键技术是提供对不同租户请求访问的隔离。隔离分为物理级别的隔离、虚拟机级别的隔离和应用级别的隔离。

物理级别的隔离方式表现为一对一模式，即一个单独的应用实例对应一个单独的租户，能够很容易的满足每个租户的个性化需求，同时每个租户的应用和数据存储都是物理隔离的，每个租户都独自拥有计算和存储物理资源。这种隔离方式使得租户彼此之间基本不会产生相互影响，具有较高的安全性，是多租户的三种实现方式中隔离级别最高的。但是在这种模式下，应用开发商投入的软件开发、维护、培训、实施等成本和硬件成本比较高，软硬件的共享性相应的也是多租户技术实现的三种方式中最低的。传统的应用服务提供商（Application Service Provider， ASP）就是这种隔离方式。

虚拟机级别的隔离方式是指通过虚拟机技术共享各种物理资源，即利用虚拟机模拟物理机器，在模拟的物理机中满足租户的个性化需求，提供租户间的逻辑隔离。这种方式下，租户间的隔离性就相对降低了，但是资源的共享利用率相对来说有所提高，同一台物理机器可能对应多个虚拟机同时可以支持多个租户，支持的租户数量有所增加。目前国内的大多数SaaS服务提供商都是采用这种模式，比如国云在线、风云在线、品高云在线等。

应用级别的隔离方式表示为单实例多租户模式，即通过共享一个应用实例，为多个租户提供服务。应用实例通过应用程序级的租户定制方式满足租户的个性化需求，并通过多租户的数据存储设计、性能隔离等方式，使所有租户能够共享存储系统和硬件设备资源，从逻辑上实现租户的隔离。在这种模式下，资源的共享程度达到了最高，软件和硬件的成本下降。Saleforce的Force.com平台就是采用这种应用级别的隔离方式，实现了资源的最大程度共享，获取了更高的利润，但是背后的技术却更加复杂。

综上所述，应用级别的多租户模式的资源共享度最高，这使得采用该种方式能够带来更大的利润。与此同时隔离性低带来的相关需要突破的技术问题，包括多租户基础管理、应用实例的个性化定制、多租户统一权限控制和性能隔离技术等。

4　研发管理领域业务分析与架构设计

4.1业务流程分析

项目管理是最核心最基础的业务模块。根据Qone的实际业务积累和CMMI标准过程域，将其分为售前管理、项目启动、项目初始化等六个关键活动，覆盖项目研发中的主要流程和主要参与角色。资源管理不属于CMMI的过程域，但是在Qone的实际业务中发现，对于中大型软件企业，人员的计划、监控、高层统计等业务需求是广泛存在的。因此，资源管理也作为一个关键的业务模块。其核心管理涉及到三个方面，包括人员基础数据的维护、资源计划与变更、资源分析及成本统计。

需求管理是CMMI 3级的标准过程域，对需求管理的成功与否在很大程度上也决定了项目的成功与否。需求树中包含需求项的集合，可以将一部分需求项生成快照编程需求基线，需求基线是软件设计、开发、测试的基础。需求之间以及需求与任务和工作产品之间需要建立需求跟踪矩阵，用来验证需求是否已经实现，以及控制需求变更。

4.2领域内模块间依赖设计

从以上流程可以看出项目管理是核心模块，资源管理与需求管理都需要与其交互。从架构设计的角度来说，希望能够实现各业务模块的分离，又能实现各业务模块的集成，以及与外部的业务系统的集成，因此需要实现领域内构件的协作交互机制。该机制将根据构件模型的定义，从领域层、UI层、服务层来进行拆分。

领域的内聚性使得很难将一些功能和模块进行拆分，比如项目计划与用户报工模块。这是因为用户报工主要就是针对制定的项目计划而进行的，它们在概念上就存在依赖关系。如果按照面向服务的方式将其拆开，将会导致功能执行效率的降低。因此，内部模块的协作一般不采用松耦合服务调用的方式，而是在实体中直接引用。比如项目管理与售前管理有关联关系，这是由于外部项目需要与售前的活动进行关联。但是对于内部项目来说，是不需要知道售前活动的。因此，项目管理模块可以拆分为外部项目管理和内部项目管理两部分，涉及到售前的外部项目信息需要提取出来作为新的构件，该构件依赖于项目管理核心构件与售前管理构件。当不需要外部项目管理功能时，则不加载外部项目管理构件即可实现；当需要外部项目管理功能时，只需要加载外部项目管理构件与售前管理构件。

4.3与外部系统依赖设计

与第三方外部系统之间的协作需要采用面向服务的方式进行，通过领域特定的接口服务进行交互。与社会化服务的交互主要是体现在用户信息和工作内容的实时交互上。研发管理平台与OpenId方案进行集成，可以实现社会化服务中的用户登陆。在平台中产生的工作进展、工作总结、疑问等内容可以输出到微博等服务，同时相关的研发管理的内容可以推送到平台。

5　平台的创新点

5.1领域特定的构件模型

经典的COM/DCOM、COBRA、NET Assembly、EJB等构件模型是通用的模型，没有领域针对性。本项目中提出了面向领域的构件模型，采用领域驱动设计思想进行了构件模型的类型、层次、粒度等的定义，并且对研发管理领域中的核心概念采用构件的方式进行了领域封装，形成了领域特定的构件模型（Domain specific component model）。

5.2微内核的多租户容器构件架构

多租户容器借鉴了操作系统中的微内核体系结构设计的思想，形成了以core构件为核心的容器系统。这种架构设计使得能够任意的更换和组装内核之外的构件，形成具有不同功能的容器。比如将其中Tenant多租户构件去除，在其中运行的应用系统就不具有多租户的能力。

5.3广泛的协作集成

基于面向研发管理领域的构件模型，对领域内构件的集成以及与外部系统的协作进行了定义。通过在平台中进行业务扩展点和服务的开发接口，从而能够支持与其他模块、系统和服务的协作集成。

5.4基于Qos的多租户性能隔离

针对多租户高并发访问的情况，提出了相应的机制和算法，对访问请求进行了调度，同时引入了资源横向扩展的方式，实现了对多租户性能的隔离，保证了整个系统的可用性。

6　结语

利用云计算技术搭建的多租户体系架构，获取软件研发管理应用的多租户支持，负载处理动态能力将得到很大的提升。平台若部署5个租户，每个租户系统可并发访问100人，初始并发访问人数为20人，数据总量为20万条，每增加20人并发访问，负载处理响应时间在2-5秒。

基于云计算技术实现多租户体系构架研发管理平台的高度可定制性、可配置性等特性，根据自己的需要修改系统已有表单的布局，增删表单中的字段，提交完成的表单具热部署能力。当多个租户用户的访问请求造成资源紧张时，将自动启动基于Qos性能隔离，使得整个系统能够持续可用。能够通过多租户容器的Tenant构件的加载与否，决定整个平台是否采用多租户的服务模式。

参考文献：

［1］代栋.云计算基础软件平台的研究和实践［D］.中国科学技术大学，2013.

［2］杜澈.SaaS模式的研究与应用［D］.南京邮电大学，2013.

［3］折玉晶.面向中小企业信息化的SaaS平台设计与实现［D］.西北大学，2011.

基金项目：此项目来源于广东省省级科技计划项目，广东省中国科学院全面战略合作专项资金竞争性分配项目，编号2013B091300007，文件编号：粤科规财字［2014］211号，作者均为项目主要成员。